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1、1绪论 21世纪人类将全面进入信息化社会，对微电子信息技术和微电子基础技术将不断提出更高的发展要求，微电子技术仍将继续是21世纪若干年代中最为重要的和最有活力的高科技领域之一。而集成电路(IC)技术在微电子领域占有重要的地位。伴随着IC技术的发展，电子设计自动化(Electronic Design Automation, EDA)已经逐渐成为重要设计手段，其广泛应用于模拟与数字电路系统等重要领域。1.1水表抄表器的发展现状 对智能住宅小区的自来水集中自动抄表系统进行了研究。近年来，随着科学技术的不断发展和人民生活水平的不断提高，“智能化住宅”这一概念正在逐步地被引入到普通住宅小区的建设之中。其
2、中最典型的应用便是自来水表、电表、管道煤气表等三表的集中自动抄表系统。随着人们生活水平的不断提高和生活节奏的日益加快，现代家庭中的煤气、电、水费的核算和收缴工作日益成为一种负担。传统的计量器采用各自独立的感应式计量表，传统的水、电、煤气抄表有很多弊端，诸如必须逐门入户抄表，收费困难，易造成漏抄、误抄或多抄，需投入大量的抄表统计人员，而且存在抄表效率低、速度慢、成本高等问题。而不仅工作量大、数据统计麻烦，而且容易出错，费用收缴工作也极其麻烦。随着电子技术和网络技术的不断发展，以可编程逻辑器件为核心设计制作的全电子式计量表必将取代传统的感应式计量表。尤其是集群式、模块化、全电子数字化多用户计量表，
3、将会成为民用主导产品。本设计的抄表系统，它可把多用户的水量用量集中记录在一部表中，而且采用多用户联网的形式，进行集中抄写，数据统计简单，费用收缴周期可以大幅度的缩减。通过采用不同的流量感测模块，该电子式抄表还可改装为煤气、电费等多用途的抄表器。它对用户水、电、气等量的自动计费、收费联网，状态报警提示和防止用户使用非法手段窃水、窃电等功能于一体，是适应管理现代化的最佳计量器具之一。由此设计了一套远程抄表系统。由于它们的出现既方便了广大用户，又大大减轻了抄表员的工作量，同时由于计量精确，因而已具有成为该领域中主流技术的趋势。 抄表系统基本工作原理:利用电子技术和传感技术，对传统电表、水表、气表加以
4、改进，使其成为远传表，在户外装一套计量系统，将每一个计量表传感器传出的数据，送到每个表的采集器存储，经过函数变换送到智能电路单元，各单元通过数据总线并联，在数据总线上任何一点皆可以与计算机通讯，自动抄收三表数据。系统包括远传检测表头、数据抄表器、上位控制器等三个部分。 (1)远传检测表头:通过对现有电表、水表、煤气表加装传感器，使其既能就地显示计量数据，又能产生相关计量脉冲信号的新型计量表具。传感器实质上是一种基于磁电转换技术或光电转换技术的脉冲发生电路单元.远传检测表头均为机械转盘式，将磁感应探头装在检侧表头的某一刻度上，并通过磁屏蔽防止外界磁场的干扰后，便将一台一次表改制成远传检测表头。转
5、轴的圈数通过探头组件的输出端送到数据采集器，该数据通过一定的倍率计算便成为最终的计量数据。例如，在现有转盘计数的水表中加装霍尔元件和磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器，霍尔元件固定安装在计数转盘附近，永磁铁安装在计数盘上，则当转盘每转一圈，永磁铁经过霍尔元件一次。即在信号端产生一个计量脉冲。同样，可以采用光电转换技术产生计量脉冲，实现远传抄表的目的。(2)数据抄表器:其主要功能是采集检测表头数据，累积表头数据，通过系统总线上传至上位控制器。其一般具有8个通道，每个通道连接1个检测表头。为保障系统的安全性及可靠性，数据采集器应具有表底数据及采集数据的存储功能。(3)上位控制器:上位控制器可与
6、数据采集器、检测表头组成完整的小规模抄表系统，标准型上位控制器通过屏蔽双绞线可挂接多个数据采集器。上位控制器主要功能是，对数据采集器硬件设备管理，历史数据存储、累积，采集器数据显示、打印等功能。 本设计主要是针对该系统的核心部分数据抄表器，抄表器接受已处理好的脉冲信号，每1000个脉冲记为1度。一个抄表器可以记录一户的用水量，同时循环显示各户现在的用水量。本课题的研究意义有以下几个: 首先，就是完成本课题的具体设计，通过这次设计，掌握用VHDL设计数字系统的方法。 其次是探讨用VHDL实现数字系统设计应当注意的方面。 再次探讨VHDL语言的具体特点。最后注意编码的效率，以求速度和功耗的最优化。
7、1.3 目标内容随着社会和科技的发展，可编程逻辑器件为核心设计制作的全电子式计量表必将取代传统的感应式计量表。尤其是集群式、模块化、全电子数字化多用户计量表，将会成为民用主导产品。本设计的抄表系统，它可把多用户的水量用量集中记录在一部表中，而且采用多用户联网的形式，进行集中抄写，数据统计简单，费用收缴周期可以大幅度的缩减。通过采用不同的流量感测模块，该电子式抄表还可改装为煤气、电费等多用途的抄表器。它对用户水、电、气等量的自动计费、收费联网，状态报警提示和防止用户使用非法手段窃水、窃电等功能于一体，是适应管理现代化的最佳计量器具之一。这个设计就是针对以上的讨论进行的，通过四个模块的编译和仿真使
8、其能够基本实现所需的功能，能够使得基本可以应用到生活当中，使得抄表器更为先进和规范。2水表抄表器的总体思路设计 由于FPGA只能实现数字电路，因此输入信号的整形电路不能用FPGA来实现，所以整形电路需另外实现外加。从而可以假定FPGA接受的都是经过整形电路整形、变换后的规则信号，电压幅值为0-5V.设计采用自顶向下(TOP-DOWN)的设计方法。首先把系统化为几个模块，然后在分别用VHDL实现。最后把各个模块连接起来，构成整个系统。 由图2-2所示，可以把它分为以下四个模块:控制模块、计数模块、存储数据的存储模块、显示数据的显示模块。控制模块是整个系统的控制部分，它控制着系统的复位、测量的开始
9、。控制模块接受系统外部的复位信号，从而产生系统内的复位信号去复位其他模块，控制着测量的开始。计数模块是整个测量系统的核心，进行计数，计数结果送到存储模块。存储模块的复位信号由控制模块提供，它从计数模块接受到新的计数结果，存储到内部寄存器后，产生一个标志信号，送到控制模块，以便新的一轮的脉冲测量，从而实现连续不间断测量。测量结果经存储后送模块显示，显示模块从存储模块得到结果，进行连续实时显示，其复位信号同样由控制模块提供。整个系统模块如图2-2所示: 图2-2系统框图各模块功能描述如下:控制模块CONTROL控制模块相当于控制电路部分，它的主要功能是控制整个抄表器系统的复位，测量的开始等。系统的
10、控制信号几乎都是由控制模块发出的，其他几个模块的工作都受控制模块的控制。控制模块接受外部对系统的复位信号、测量开始信号，然后产生系统内的复位信号对整个系统进行复位操作，或者输出开始测量信号，从而让整个系统开始测量操作。此外控制模块还接受存储模块反馈回来的数据接受完毕信号，以用来实现连续不间断的测量。计数模块COUNTER计数模块是整个抄表器的核心部分，它通过对被测脉冲计数来进行测量。计数模块在每次测量前，从控制模块接受复位信号RESET，对模块进行复位，清除上次的测量结果，为新的一次测量做准备。模块在当计数器计数完成并且测量结果输出信号TKEEP上的结果稳定后，才输出使能信号OUTEN，使得存
11、储模块可以读取测量结果，从而保证了所读测量结果的准确性。存储模块IICCONTROL存储模块通过对计数模块的测量结果的存储。本设计存储模块采用具有IIC总线的AT24系列的存储芯片，所以存储模块的设计主要是设计一个IIC总线的控制器。它的工作过程如下:存储模块从控制模块接受系统开始信号START，还从计数模块接受使能信号WREN和测量结果信号TKEEP。只有当使能信号WREN到来时，存储模块才能从计数模块读取结果信号TKEEP。当RDEN到来时，结果信号TKEEP被送到存储芯片上。而存储模块输出的标志信号FLAG标志着存储模块已经读取了计数模块的测量结果，送到控制模块后，将启动新一轮的测量，实
12、现连续不间断测量。显示模块DISPLAY显示模块主要作用是生成共阴极数码管显示测量结果所需的控制信号和数据信号。模块从控制模块接受模块输入复位信号SYSSTART对模块进行复位操作。模块输入的基准时钟CLKDISP为分频电路分频处理后，频率为1K的时钟，用于数码管的循环显示。模块同时从存储模块接受模块输入测量结果信号DATA。该测量结果信号是用二进制表示的，显示模块首先将该信号转换成BCD码表示的形式，以用于数码管的显示。模块输出的各个数码管选通信号GATE1 -GATE3为各个数码管的选通信号，当某一选通信号为高电平时，表示该选通信号对应的数码管被选中有效，可以进行显示操作。模块输出的数据信
13、DIGITOUT各位上的信号是否为高电平来决定是否点亮数码管中对应的显示段。显示模块对数码管以较高的频率进行循环显示，不断重复刷新，由于人眼的延迟性，数码管看起来是同时在显示。3水表抄表器程序的模块化处理 集中抄表器系统共分为四个模块:控制模块、计数模块、存储模块和显示模块。下面将依次介绍其各模块的实现。 控制模块是整个系统的控制部分，它控制着其他四个模块的工作图3-1是控制模块的模块图。KONGZHIRESET RESETOUTSYSSTART STOPFLAG STARTCUNCHUBASECLK 图3-1 控制模块的模块图模块输入、输出 控制模块的输入信号有: RESET:为系统复位信号
14、。当需要复位系统时(一般在进行新的测量前)，只需使RESET变为高电平(RESET= 1)即可将整个系统复位，.处于等待测量状态。 SYSSTART:为系统开始测量脉冲信号。在进行一次新的测量前需要也仅需要给SYSSTART一个脉冲，系统就开始进行连续不间断的测量。其中，SYSSTART的脉冲宽度要大于模块中所有时钟(经分频电路分频后得到)的一个周期。FLAG:为存储模块反馈回来的标志信号。它标志着存储模块已经从计数模块取得此次测量的结果。控制模块接受到此脉冲信号后，就发出STARTCUNCHU脉冲信号，使系统进行下一次测量，而不再需要SYSSTART信号，从而实现了连续不间断测量。 BASE
15、CLK:为基准时钟，它由外加的晶振所提供。为了调试的方便，仿真时设为1 KHZ。 输出信号有: RESETOUT:为输出复位脉冲信号。它由系统复位信号RESET产生，主要为计数 模块、显示模块的复位。 STARTCUNCHU:为存储开始脉冲信号。它既由系统开始测量脉冲信号SYSSTART 产生，也由存储模块反馈的标志信号FLAG产生。 STOP:为存储停止信号，它由反馈信号FLAG产生。模块流程 控制模块的流程如图3-2所示:图3-2 控制模块流程图控制模块首先检测三个输入信号:系统复位信号RESET、系统开始测量脉冲SYSSTART和存储模块反馈信号FLAG的变化。当RESET变为高电平(RESET= 1)时，先对控制模块内的变量进行复位，然后输出RESETOUT脉冲信号，对其它模块进行复位操作。当系统开始测量脉冲信号SYSSTART来临(SYSSTART EVENT ANDSYSSTART= 1)且脉冲宽度满足条件时，控制模块先检查是否处于系统复位期间(RESET= 1)，若不是，则输出测量开始脉冲信号STARTCUNCHU、当要结束正在进行的测量，开始另外一次新的测量时，需要给控制模块施加系统复位信号，然后再施加开始测量脉冲信号STARTCUNCHU，开始新一轮测量，同时送到存储模块，以使存
